普渡大學使用微型3D打印創建游泳機器人，僅有頭發絲細卻達到了創紀錄的速度
時間：2023-04-14 09:18 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：以每秒 2 毫米的速度行進的機器人聽起來并不是特別快，但是當這個機器人僅有人類頭發絲的寬度時，那么它就是破紀錄的行進速度了！2023年4月13日，來自普渡大學的研究人員使用微型 3D 打印創建了一款快速游泳機器人，這款使用多材料打印的微型機器人被裝配上了能夠適應環境的水凝膠尾巴。
這款微型游泳機器人的開創者，普渡大學機械工程系David
Cappelleri的教授說：“我們研究移動微型機器人已經有10到15年的時間了，從如何設計它們、如何制造它們、如何控制它們，到最終如何使用它們，我們都展開了充分的探索。因為這些機器人非常小，我們無法連接電池或任何其他類型的內部電源。所以我們使用磁場從外部為它們供電。”這項研究以題為“”的論文被發表在《IEEE Robotics andAutomation Letters》期刊上。
相關論文鏈接：https://doi.org/10.1109/LRA.2023.3242164
微型3D打印的游泳機器人
經過多年的探索，Cappelleri 的團隊已經制造出可以在活結腸中翻滾的微型機器人，他們還在研究可以負載特定藥物的醫用機器人。不過，他們最新的挑戰便是本文的主角——游泳機器人。Cappelleri 說：“我們現在正在嘗試開發一些更先進的微型機器人原型，它們不僅是剛性物體，而且可以變形、改變并適應環境。”他們團隊最新開發的微型機器人，即游泳機器人，包含了一個硬磁頭和一個螺旋形的軟水凝膠尾巴，用以模仿細菌、精子和其他生物現象中的游泳行為。他們利用微型 3D 打印技術制造具有交替的軟硬水凝膠區域的尾巴，使機器人能夠根據不同的流體環境做出自適應行為。他們稱之為螺旋自適應多材料微型機器人 (HAMMR)。
Cappelleri 實驗室的學生，這篇研究論文的作者 Liyuan Tan
博士說：“水凝膠是一種柔軟的材料，它會根據不同的刺激以不同的方式與水發生反應。一些水凝膠會像海綿一樣膨脹，也有一些是疏水的，這意味著它們排斥水。如果你將這些不同的水凝膠交替放置，它們會扭曲并形成螺旋形狀，這有助于機器人更快地移動。”
△微型 3D 打印允許將多種材料集成到一個微型機器人中，包括以不同角度形成自適應扭曲螺旋尾的不同種類的水凝膠。
但是有一個問題。水凝膠一般是軟的，而磁頭一般是硬的。你如何在如此小的尺度上連接它們？Tan對此表示：“我們想到了結合兩種不同的微型制造技術的想法。頭部是使用光刻技術制作的，這是一種制造硬微結構的傳統方法。然后對于尾巴，我們使用了一種稱為雙光子聚合的
3D 打印技術，我們可以使用Nanoscribe PhotonicProfessional GT2裝置來完成。”研究人員在普渡大學探索公園的伯克納米技術中心創造了這款微型機器人，這是學術界最先進的微納米制造實驗室之一。
△伯克納米技術中心
Cappelleri 說：“我們所制造的這些微型機器人的寬度僅有 10 到 50
微米，大約是人類頭發的寬度，你不能僅僅使用螺母和螺栓來連接這兩部分裝置。任何種類的雜質或污垢斑點或雜散磁粉都會毀壞機器人。使用
Nanoscribe 3D 打印機，我們不僅能夠連接兩部分裝置，還能針對不同環境定制螺旋尾部的設計。”他們對交替水凝膠的不同角度以及水和異丙醇的不同環境進行了實驗。一旦他們找到了正確的組合，HAMMR 的游泳速度就超出了他們的預期。Tan 說：“這個機器人達到了每秒 8.1 個身體長度的速度，這是任何現有報道中自適應游泳微型機器人的最快速度。”
對于這個特定的機器人，8.1 的身體長度大約是每秒 2 毫米，這聽起來不是很快。但是，如果將這個微型機器人轉化為 7 米魚雷的規模，它將成為有史以來在水下航行最快的物體之一。當然，HAMMR 的最終目標不是速度，而是精度。Cappelleri 說：“第一步是能夠制造這些機器人并在流體環境中獲得最佳移動性能，而且因為它們具有適應性，我們可以改變它們的幾何形狀以穿過血管或生殖道等小的收縮區域。我們研究至今的目標就是開發出可以應用到醫學治療領域的裝置。例如：利用機器人裝載藥物？或者用它來進行活檢嗎？我們期待著將這些機器人用于人體的許多不同診斷功能。”
△博士生 Liyuan Tan 和 David Cappelleri 教授利用磁場幫助微型游泳機器人以創紀錄的速度行進。照片來自普渡大學Jared Pike
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